深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度试验研究

 煤柱合理宽度的确定是影响综放沿空掘巷围岩稳定性的重要因素。以深部厚煤层综放沿空掘巷赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,首次提出一种新型侧向支承压力监测方法,通过现场应力监测和数值模拟相结合的研究方法确定区段煤柱合理留设宽度。现场应力监测与数值模拟结果显示,采空区侧向支承压力影响范围为50～56 m,低应力区宽度为12～15 m,考虑沿空巷道应处于应力降低区内,煤柱留设宽度不应大于7～10 m;同时,从有利于锚杆锚固出发,煤柱宽度不应小于4 m。综合考虑煤柱稳定性、次生灾害控制及煤炭资源回收等因素,最终确定煤柱留设宽度为5 m。采用大型地质力学模型试验与现场试验对煤柱宽度合理性进行验证,结果表明,巷道表面位移均呈现沿空帮＞顶板＞实体帮＞底板的变化趋势,掘巷稳定后,现场实测顶底板移近量最大为271 mm,两帮移近量最大为359 mm,巷道围岩控制效果较好;同时,锚杆、锚索受力均在其屈服范围内,并为回采期间预留充足的余量。研究结果可为类似开采条件下的区段煤柱宽度确定提供参考依据。     

三维数值模拟在防水煤柱留设中的应用

根据某井田内各岩层的物理性质,结合防水煤柱的留设情况,对运用FLAC3D软件模拟三维状态下覆岩受采动破坏情况以及地下水的流动状态作了论述,从而更直观地解决防水煤柱留设问题。     

矸石充填整体置换“三下”煤柱引起的岩层移动与二次稳定理论

 根据条带开采特点,针对矸石充填整体置换“三下”煤柱引起的二次岩层移动等问题,首先简述煤柱开采与矸石充填过程,并分析二次岩层移动机制及特征,认为二次岩层移动是由矸石充填支撑体和承重岩层的共同压缩引起的,上覆岩层形成的弯曲带层面为波浪型下沉曲层;然后,根据充填支撑体的实际受力大小和极限强度,采用弹塑性力学及相关理论,推导“承重岩层+矸石充填体”承载体的二次稳定条件、安全系数、极限状态下的软化区宽度以及承载核区宽度的解析式,并给出矸石充填体压缩量w1和上覆承重岩层二次压缩量w2的计算公式,提出二次岩层移动下沉总量计算方法。宝源煤矿的实例计算表明“承重岩层+矸石充填体”承载体的安全系数Fs = 1.36,处于稳定状态;“承重岩层+矸石充填体”承载体总压缩量w = 0.833 m,矸石支撑体抵抗着较高的应力,维护着上覆岩层结构的二次稳定;数值分析表明,采空区上方应力得到充分释放,充填支撑体上方垂直应力呈马鞍形分布,承重岩层最大下沉位移平均值为0.801 m左右,接近理论计算值。     

BP神经网络在岩体移动参数确定中的应用

正确确定基本参数是提高有关岩体移动及变形预估精度的关键。通过对BP神经网络算法的改进,引进动量项系数及采用变步长方法,提高了收敛速度和稳定性。建立了地表移动基本参数的反分析方法,使用该方法及相应程序对大量观测结果进行反分析,结果表明效果良好。     

可靠度理论在确定隧道衬砌合理参数中的应用

以铁路隧道衬砌标准设计图中Ⅰ~Ⅲ级标准围岩衬砌断面的聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土衬砌为分析对象,根据可靠度理论的基本原则和方法,对单线铁路隧道Ⅰ~Ⅲ级围岩条件下的聚丙稀纤维网湿喷混凝土隧道衬砌结构进行了可靠度分析。在分析中采用蒙特卡罗有限元方法,按现行《铁路隧道设计规范》所采用的“荷载—结构”模式,还根据规范中混凝土衬砌构件抗压破坏目标可靠指标值不小于4.2,抗拉破坏目标可靠指标值不小于2.5的要求,最后得到当围岩为Ⅰ~Ⅲ级时衬砌断面的最小厚度分别为6cm、8cm和20cm。     

折减吸力在非饱和土土压力和膨胀量 计算中的应用

 根据变形等效原则介绍确定折减吸力的具体方法,采用折减吸力代替真实吸力进行非饱和土土压力系数和膨胀量的计算,计算不同水位条件下非饱和土的静止土压力、主动土压力、被动土压力以及不同水位条件下非饱和土的膨胀量和降雨条件下非饱和土的膨胀量。计算结果合理地反映了非饱和土土压力和膨胀量的分布趋势。将计算结果与离心模型试验和模型槽试验结果进行对比,两者具有很好的一致性。     

厚煤层巷内预置充填带无煤柱开采技术

 为减少厚煤层开采的区段煤柱损失,提出巷内预置充填带无煤柱开采技术,即在上区段回采工作面前方的运输平巷内,紧靠下一区段的巷帮煤壁,预置一条矸石混凝土巷内充填带,下区段回风平巷掘进时,沿预置的充填带进行掘进,实现厚煤层工作面无煤柱开采,用预置充填带把上下2个区段间应留设的区段煤柱置换出来。若上区段运输平巷为普通断面,如要实施此项新技术,首先,对上区段运输平巷靠近下区段工作面侧的煤壁,实施扩帮和支护;然后,在工作面前方扩帮位置处紧靠煤壁实施充填,预置巷内充填带。此项技术的关键是巷内充填材料的选择与配比,在保证充填体和巷道围岩稳定性的前提下,要尽可能减小充填体的宽度。充填材料选用的是以矸石渣为主辅以少量水泥、河沙加水混合而成的胶结体,水泥、河沙、矸石渣按1∶1∶4.7质量比例进行配比。现场工业性试验表明,该项技术的应用是成功而有效的,可实现厚煤层无煤柱开采,提高煤炭资源采出率,该成果已取得明显的经济效益。     

套管式钻孔多点引伸计及其在隧道工程中的应用

 结合川藏公路二郎山隧道和湖南邵怀高速公路雪峰山隧道等深埋越岭长隧道工程,开发研制一种适合施工期同步监测围岩松动变形的套管式钻孔多点引伸计,并介绍其安装、测试技术。实际工程应用表明其具有就地取材,制作、安装和测量方便,抗施工干扰能力强,测量结果准确可靠等突出优点,一个监测钻孔可以获得多个深度的围岩相对松动位移量、速率,及其随深度的变化规律和随时间的变化规律等重要信息。该技术可以在今后的隧道工程及其他地下工程建设中推广使用。     

深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度研究

 留设合理宽度的区段煤柱是确保深井特厚煤层综放工作面顺利接续和安全回采的关键。以新巨龙矿井一采区区段煤柱宽度的确定为工程背景,首先采用微地震监测、应力动态监测和理论计算等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向支承压力分布特征,得出低应力区宽度约为20 m;其次,采用工程类比、数值模拟等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向煤体不完整区宽度约为3 m;最后,综合考虑资源回收、冲击地压防治、次生灾害控制和巷道支护等因素,确定深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度为5.0～7.2 m。应用沿空巷道表面位移观测结果验证区段煤柱宽度的合理性。该研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

强排煤粉防治冲击地压的机制与应用

 确定合理的技术参数是应用强排煤粉防治冲击地压的关键。采用室内实验、数值模拟等方法研究强排煤粉防治冲击地压的机制,建立钻孔间距、钻孔直径等强排煤粉技术参数的确定方法,提出冲击地压分区治理思路,并得到以下结论：(1) 强排煤粉的主要作用是“降模增变”和“耗能增阻”;(2) 防冲钻孔间距是钻孔直径、煤层厚度、增溢系数和安全增变量的函数,并与增溢系数、钻孔直径呈正相关,与煤层厚度、安全增变量呈负相关;(3) 冲击地压治理分为预卸压和解危2个阶段,强排煤粉应用于预卸压阶段时的主要作用是“降模增变”,应用于解危阶段时的主要作用是“耗能增阻”。将研究成果应用于新巨龙矿井1302工作面冲击地压防治,取得良好效果,避免冲击地压事故的发生。研究结果对深井冲击地压防治具有参考意义。     

厚松散层及超薄覆岩厚煤层防水煤柱开采试验研究

通过对厚松散层及超薄覆岩的含、隔水层及基岩风氧化带工程岩组性质的分析,采用相似模拟试验与数值模拟等手段研究不同采放比条件下覆岩最大冒高和有效导水高度。研究结果表明:基岩风氧化带内粘土矿物含量高、渗透能力差、再生隔水能力强,具有阻止和抑制导水裂高发展的双重作用,采动后覆岩呈整体弯曲缓慢下沉运动,有效导水裂隙带的发育高度与冒落带高度基本一致。研究结果应用于芦岭矿810#采区,在防水煤柱内进行放顶煤开采,经过两个工作面的成功试采,已安全采出煤炭约40×104t,采出率达86.7%,取得了显著的经济效益。     

煤与瓦斯突出模拟试验台的改进及应用

 为确保更好的煤与瓦斯突出模拟试验效果,针对原研制的模拟试验台存在的不足,对其突出模具及其配套的煤试件成型装置进行改进和重新研制。利用环向和面密封等全方位密封技术可使突出模具在2 MPa瓦斯压力下达到较长时间的良好密封效果;依靠3组直径不同的圆形突出口装配,可在不更换突出模具的条件下进行不同突出口径的煤与瓦斯突出模拟试验,经济实用;凭借布置的温度和瓦斯压力传感器与配套的试验控制软件连接,可较方便地实时监测突出过程中煤体内温度及其瓦斯压力的变化规律;研制的独立煤试件成型装置可准确实施预定的成型压力,且操作过程较为灵活、方便。利用改进后的煤与瓦斯突出模拟试验台开展的模拟试验表明,在瓦斯压力、突出口径方面均存在一个使煤与瓦斯突出发生与否的阈值,高于此阈值时,瓦斯压力或突出口径愈大则突出强度亦愈大,且瓦斯压力作为突出发生的动力同时也对突出煤粉有一定的粉碎作用。此外,煤与瓦斯突出过程中煤体的温度变化也印证了煤吸附瓦斯放热和解吸瓦斯吸热这一物理现象。     

综放工作面收作眼合理位置确定与稳定性分析

在停采线位置预掘收作眼，可大幅度提高综放工作面搬迁速度。由于受到工作面前方移动支承压力和基本顶周期来压的持续影响，收作眼的维护比一般回采巷道更困难。基于综放末采期间矿压显现和覆岩运动规律，通过相似模拟实验研究覆岩结构失稳对工作面前方巷道变形与破坏的影响，从而得到最佳的收作眼位置：采用岩石破裂过程分析软件RFPA^2D系统，对收作眼围岩稳定性进行了数值计算与分析，并对其支护设计方案进行了优选。研究成果应用于济三煤矿4303综放面，实现了采场与收作眼的安全对接和综放工作面的安全快速收尾，并根据井下实测数据，对收作眼的使用效果及其经济效益进行了评价。     

综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究

在较薄厚煤层综放面倾向煤柱支承压力现场实测的基础上，应用弹塑性极限平衡理论，考虑煤层厚度及倾角的影响，分析得出综放面倾向煤柱支承压力峰值位置的计算式及分布规律。该研究为综放回采巷道的合理布置及护巷煤柱参数的合理确定提供了依据，有利于改善巷道维护状态和提高煤炭资源采出率，并为类似条件下的综放开采提供有益借鉴。     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

煤层气开采初期井底压力的合理控制范围研究

 合理的井底压力与煤岩力学特性及井周应力分布密切相关,而井周应力分布与井周是否产生提高绝对渗透率的贯通裂隙均有相互依赖的关系。首先,根据韩城煤岩的室内试验结果,分析煤岩不同应力状态与绝对渗透率的关系和变化规律;然后,基于弹塑性理论,通过考虑储层井周存在裂隙区时的弹塑性应力分析,建立井周应力与井底压力之间关系的数学模型,探讨确定保持或稳定提高绝对渗透性的合理井底压力范围,并将其应用于韩城煤层气井的排采数据分析。通过研究发现,在既定煤层气工程条件下,控制合理的井底压力可使煤储层绝对渗透率随煤层气的开采而逐渐增大,进而提高产能。